矿用风机启动箱井下通风风机控制当中的应用

2025-09-28 10:55:08

矿用风机启动箱是煤矿井下通风风机（主要包括局部通风机、采区辅助通风机）控制的核心电气设备，承担着风机电源接入、平稳启动、运行状态监控、故障保护及安全闭锁等关键功能。在井下通风系统中，通风风机是保障瓦斯稀释、有毒气体排出、新鲜空气供给的 “生命线”，而风机启动箱则通过精准、可靠的电气控制，风机 “启动无冲击、运行不中断、故障能急停”，是通风风机安全效能落地的直接载体。

一、核心控制对象与场景适配

矿用风机启动箱的控制逻辑与通风风机的类型、部署场景深度绑定，不同风机的功能需求决定了启动箱的控制模式，主要适配以下两类核心对象：

1. 局部通风机控制（掘进工作面核心）

局部通风机（简称 “局扇”）是掘进工作面、独头巷道等无自然通风区域的唯一通风动力，功率多为 22kW-110kW，其控制核心需求是 “连续运行 + 安全闭锁”。启动箱的控制应用如下：

启停控制与模式切换：支持 “就地手动启停”（井下现场操作）与 “远程自动启停”（地面调度室控制）双重模式。掘进作业前，通过启动箱合闸启动局扇；作业结束或紧急情况时，可通过就地按钮或远程指令切断电源。
双机自动切换控制：适配 “主局扇 + 备局扇” 双机配置，启动箱实时监测主局扇的电源、电流、转速等状态。当主局扇因电源故障、电机过载或风量不足停转时，启动箱在0.1-0.2 秒内快速切换至备局扇（切换时间＜0.5 秒），掘进面通风 “零间断”，避免瓦斯短时间积聚。
安全闭锁联动控制：强制集成 “风电闭锁” 与 “瓦斯电闭锁” 控制逻辑：

风电闭锁：启动箱接入风量传感器信号，若局扇停转导致风量低于设定值，立即切断掘进面动力设备（掘进机、刮板输送机等）电源，且禁止强行合闸；
瓦斯电闭锁：接入瓦斯传感器信号，当掘进头瓦斯浓度超标（如≥1.0% CH₄），立即切断局扇及掘进设备电源，仅待瓦斯浓度降至安全值（＜0.5% CH₄）并人工复位后，方可重新启动。

2. 采区辅助通风机控制（区域通风补能）

采区辅助通风机用于通风阻力大、主通风机风压不足的大型采区或长距离巷道，功率多为 110kW-315kW，控制核心需求是 “平稳启动 + 按需调节”。启动箱的控制应用如下：

软启动 / 变频启动控制：针对大功率电机启动时的 5-7 倍冲击电流，启动箱通过内置软启动器或变频器，逐步提升电机转速，将启动电流限制在 1.5-2 倍额定电流内，避免冲击导致电网波动、电机损坏或上级开关跳闸。
风量自适应调节控制：部分智能启动箱可联动巷道内的风速传感器，实时监测采区风量。当风量高于需求时，通过变频器降低风机转速；当风量不足时，自动提升转速，实现 “按需通风”，平衡通风效果与能耗。
连锁保护控制：与采区主通风系统、动力配电系统连锁。若辅助通风机故障停转，启动箱立即切断采区内非必要动力设备电源，仅保留通风、排水等关键系统，同时向地面调度室发送报警信号，防止采区瓦斯扩散。

二、核心控制功能：保障风机安全运行的 “电气逻辑”

矿用风机启动箱的控制功能围绕 “风机可靠运行、风险提前阻断” 设计，每项控制逻辑均直接关联通风安全，核心如下：

控制功能	控制逻辑细节	安全与运行价值
双电源双风机切换控制	主备电源、主备风机实时监测（电压、电流、转速），故障时快速切换，切换过程无电弧外露（隔爆结构保障）	彻底解决单风机、单电源故障导致的通风中断，是高瓦斯掘进面的 “双保险”。
风电 / 瓦斯电闭锁控制	内置闭锁继电器，采用 “逻辑硬闭锁”（非软件控制，防止程序失效），传感器信号异常时强制断电并锁定	从电气逻辑上强制落实《煤矿安全规程》要求，杜绝 “无风作业”“瓦斯超标作业”，是瓦斯治理的核心措施。
软启动 / 变频调速控制	软启动：电压逐步提升至额定值；变频：通过改变电源频率实现转速无级调节，调速范围 0-50Hz	避免启动冲击损坏设备，降低电网负荷；变频调速可按需调节风量，相比定速风机节能 20%-30%。
多重故障保护控制	集成过载（反时限特性）、短路（速断）、漏电（选择性）、断相、电机超温保护，响应时间＜100ms	快速切断故障电源，防止电机烧毁引发火灾；选择性漏电保护仅切断故障支路，避免越级跳闸导致区域通风中断。
远程监控与控制	支持 RS485/Modbus 协议，向煤矿自动化系统上传电流、电压、转速、闭锁状态等参数，接收远程启停指令	实现地面 “可视化控制”，减少井下人员巡检风险，故障时可快速定位问题（如 “电机超温”“瓦斯闭锁”）。

三、控制应用中的关键要求（适配井下环境）

井下 “高瓦斯、高湿、高尘、强电磁干扰” 的环境，以及通风风机 “不可中断” 的特性，对启动箱的控制可靠性提出严苛要求：

控制逻辑的 “不可破解性”：风电、瓦斯电闭锁必须采用 “硬接线 + 机械闭锁” 设计，禁止通过软件屏蔽或短接传感器信号解除闭锁 —— 即使启动箱故障，闭锁功能仍需有效，防止人为规避安全控制。
切换与保护的 “快速性”：双机切换时间必须＜0.5 秒（行业强制标准），故障保护响应时间＜100ms，通风中断时间短、故障扩大风险低。
控制的 “抗干扰性”：井下掘进机、变频器等设备产生强电磁干扰，启动箱需通过电磁屏蔽（如接地铜排、屏蔽电缆）、滤波电路设计，避免传感器信号失真或控制继电器误动作（如误判风机停转）。
控制状态的 “可视性”：箱体需配备防爆观察窗，内置指示灯（主备风机运行、电源、闭锁、故障），方便井下人员直观判断控制状态；同时向地面上传实时状态，实现 “地 - 井控制联动”。
操作的 “安全性”：箱门与隔离开关联动，即 “断电后才能开门、开门后无法合闸”，防止带电操作引发触电；闭锁复位需人工现场操作，避免远程误解锁导致安全风险。

四、典型控制应用案例：高瓦斯掘进面双局扇控制系统

某高瓦斯煤矿掘进工作面的通风风机控制方案，清晰体现了启动箱的核心控制作用：

系统构成：2 台 55kW 局部通风机（主 / 备）+ 矿用隔爆型双电源双风机启动箱 + 瓦斯传感器（掘进头）+ 风量传感器（局扇出风口）+ 地面调度终端。
正常控制流程：启动箱接入 660V 双路电源，人工选择 “主风机运行” 模式，启动箱闭合主电源接触器，主局扇启动；备电源接触器处于 “热备用” 状态，备局扇待命。风量传感器、瓦斯传感器实时向启动箱传输信号（风量≥150m³/min，瓦斯＜0.5% CH₄），掘进面动力设备可正常启动。
异常控制流程：

主风机故障：主风机电机过载，启动箱检测到主回路电流突升后跳闸，0.1 秒内断开主电源，同时闭合备电源接触器，备局扇在 3 秒内达到额定转速，通风无中断。
瓦斯超标：掘进头瓦斯浓度升至 1.2% CH₄，瓦斯传感器发送 “超限信号”，启动箱立即切断主 / 备风机电源（防止风机火花引爆瓦斯），同时切断掘进机电源，面板 “瓦斯闭锁” 灯亮，向地面发送报警；仅当瓦斯浓度降至 0.4% CH₄，人工按下启动箱 “复位” 按钮，闭锁解除后才可重新启动风机。

总结

矿用风机启动箱在井下通风风机控制中，是连接 “电源 - 风机 - 安全监测系统” 的核心枢纽：它通过精准的启停与切换控制保障通风连续性，通过闭锁控制阻断瓦斯爆炸风险，通过软启动与保护控制延长风机寿命，通过远程控制降低作业风险。可以说，通风风机的 “通风效能” 与 “安全价值”，依赖启动箱的控制可靠性落地 —— 启动箱的控制逻辑失效，等同于通风系统的 “安全防线” 崩溃。因此，它是煤矿井下通风风机控制中不可或缺的关键设备。